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1、第13章 DNA的生物合成,生物体的遗传信息储存在DNA中，并通过DNA的复制由亲代传给子代。在子代的生长发育中遗传信息自DNA转录给RNA，然后翻译成蛋白质以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。,复制,转录,翻译,逆转录,复制,1958年Crick提出中心法则(central dogma)，1971年完善。,中心法则揭示了生物体内遗传信息的传递方向。,遗传信息的传递包括：1.复制(replication)：以DNA分子为模板，合成出相同DNA分子的过程。2.转录(transcription)：以DNA为模板合成RNA的过程。3.翻译(translation)：以mRNA为模板
2、合成蛋白质的过程。,13.1 参与DNA复制的主要酶和蛋白因子,DNA的复制是一个复杂的过程，包括：超螺旋和双螺旋的解旋、复制的起始、链的延长和复制终止等。目前已发现30多种酶及蛋白质因子参与DNA复制。,分为型和型（DNA旋转酶 gyrase），有内切酶和连接酶活力，使DNA超螺旋的紧张状态变为松弛状态。,1.2 解旋酶（helicase）,大肠杆菌的解螺旋酶将DNA两条链解开形成单链。,1.1 拓扑异构酶,1.3 单链结合蛋白（SSB）,结合在单链上，防止解开的单链DNA重新形成双链。,1.4 引发酶（primerase）,大肠杆菌的DNA复制需要由引发酶合成一小段RNA作为DNA合成的引
3、物，因为所有的DNA聚合酶都只有按模板链的指令，在引物3-OH端延伸新链的功能，没有从头开始合成的活力。,RNA引物,1.5 DNA聚合酶,DNA聚合酶 DNA模板（反转录时用RNA模板）引物（DNA或RNA，提供游离3-OH）4种dNTP Mg2+,DNA聚合发生的条件：,DNA聚合酶,5 3聚合酶活性：是一个模板指导酶；只能将脱氧核苷酸加于已存在的DNA或RNA链的3-OH 上，缺少不能合成。3 5外切酶活性：只对单链，起校对功能。5 3外切酶活性：对双链，损伤修复作用，及切除RNA引物并填补其留下的缺口。,5 3 聚合酶,模板链,新生链,C(unable to pair with A),
4、C removed,3 5 外切酶活性,5，3，外切酶活性,Arthur Kornberg won the 1959 Nobel Prize in Medicine for his discovery of the mechanism in the biological synthesis of deoxyribonucleic acid(before Watson and Crick won theirs!),DNA聚合酶,单体酶，分子量120Kd。催化活性：53聚合(活性很低)；3 5 外切。,寡聚酶，全酶由10种共22个亚基组成，、和三种亚基组成核心酶。催化活性：5 3 聚合酶活性：是主
5、要的聚合酶 3 5 外切酶活性 5 3 外切酶活性,DNA聚合酶,1.6 DNA连接酶（DNA ligase）,催化DNA双链中的一条单链切口处游离的3-OH末端和5磷酸基末端形成 3,5-磷酸二酯键。,拓扑异构酶引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力。DNA解旋酶解开双链DNA。SSB结合于DNA单链。DNA引发酶(在引发体中)合成RNA引物。DNA 聚合酶在两条新生链上合成DNA。DNA 聚合酶切除RNA引物，并补上DNA。DNA ligase连接一个冈崎片段。,小 结,2.1 DNA复制的起点和方向,DNA的复制只能从一个特定位点开始，称为原点（origin）。,13.2 DNA的
6、复制过程,基因组DNA中具有复制原点并能独立进行复制的单位称为复制子(replicon),原核生物只有一个复制起点；真核细胞含有多个复制起点，是多复制子的。,复制从原点开始同时向DNA链的两个方向进行，在复制的部分同时进行解链与合成，结果形成一个分叉，称为复制叉（replication fork），又称复制眼（replication eye）。,2.1 DNA复制的主要阶段,DNA双螺旋的解开,旋转酶引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力；DNA解旋酶解开双链DNA；SSB结合于DNA单链。,RNA引物的合成,大肠杆菌的DNA复制需要由引发酶合成一小段RNA作为DNA合成的引物，因为所有
7、的DNA聚合酶都只有按模板链的指令，在引物3-OH端延伸新链的功能，没有从头开始合成的活力。,RNA引物,DNA链的延伸,DNA复制中一条链是不连续的,DNA生物合成方向为53,滞后链合成的模板形成环，复制叉上的二聚体DNA聚合酶全酶同时合成两条子链。,冈崎片段（Okazaki fragment）：以亲代53为模 板链，合成新链，这些新链的合成实际上是由许多 53 方向合成的DNA片段连接起来的。随后链（lagging strand）：以冈崎片段合成的子链。前导链（leading strand）：连续合成的子链。,半不连续复制（semidiscontinuous replication）：DN
8、A复制过程中，新生的DNA链一条按53方向（与复制叉移动方向一致）连续合成，另一条按53方向（与复制叉移动方向相反）不连续合成。,RNA引物的切除,冈崎片段连接,4.DNA聚合酶,1.解链酶,2.单链结合蛋白,前导链,冈崎片段,3.引物酶,5.聚合酶,6.连接酶,复制叉,引物,1953年，Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时就推测DNA可能按照半保留机制进行自我复制。,2.1 DNA复制的半保留性,半保留复制(semiconservative replication):在复制过程中，每个子代DNA分子中有一条链完全来自亲代DNA，另一条是新合成的。,1958年，Meselson
9、和Stahl用15N标记E.coli.DNA，用密度梯度离心试验证明了DNA的复制是半保留复制。,半保留复制具有重要的生物学意义，DNA分子以半保留方式进行复制，亲代DNA分子中的一条链保留在子代DNA分子中，可使遗传信息准确的传递给子代细胞，保持其相对稳定性而不致发生进化上不能忍受的变化。,DNA复制的真实性？生物体DNA复制具有高度真实性，复制108-1010碱基对，只有一个错误碱基。,聚合酶、反应本身具有超常的忠实性 聚合酶的3 5外切酶功能 RNA引物的使用 DNA聚合的方向为5 3 DNA的损伤修复系统,逆转录（reverse transcription）：以RNA为模板合成DNA的
10、过程，与通常转录过程中遗传信息流从DNA到RNA的方向相反。,逆转录酶（reverse transcriptase）：催化逆转录反应的酶。,许多具有RNA基因组的病毒含有这种酶，故这类病毒又称为逆转录病毒（retrovirus）。它们多是致癌病毒。,13.4 反转录合成DNA,逆转录酶具有3种活性：,依赖RNA的DNA聚合酶活性,RNase H（核糖核酸酶H）活性,依赖DNA的DNA聚合酶活性,cDNA,一些物理化学因子如紫外线、电离辐射和化学诱变剂均可引起DNA损伤，破坏其结构与功能。然而在一定条件下，生物机体能使这种损伤得到修复。,DNA损伤,13.5 DNA的损伤与修复,细胞内具有一系列
11、起修复作用的酶系统，可以除去DNA上的损伤，恢复DNA的双螺旋结构。目前已知有4种酶修复系统：光复活、切除修复、重组修复、SOS 修复，后三种不需要光，又称为暗修复。,1.光复活,可见光（400500 nm）可激活光裂合酶，此酶能分解由于紫外线形成的嘧啶二聚体。,2.切除修复,切开,切除,修复,连接,3.重组修复,切除修复发生在DNA复制之前，而当DNA发动复制时尚未修复的损伤部位，可以先复制，再重组修复。,4.SOS 修复,避免差错的修复（error free repair）：光复合、切除修复及重组修复对DNA损伤的修复都不导致DNA突变。倾向差错的修复（error prone repair）：SOS修复。在DNA损伤后，DNA复制过程以脱氧核苷酸的聚合发生差错为代价，强行合成完整子代链的一种挽救性修复。,光复合是利用光能，其余均利用ATP水解所释放的能量。光复合和切除修复是修复模板链；重组修复不是对损伤链直接修复，而是形成一条新的正常模板链。SOS修复是导致突变的修复。,1.名词解释,2.试述参与原核生物DNA复制的酶及蛋白因子，并说明功能。,半保留复制、半不连续复制、复制子、冈崎片段、前导链、随后链、切除修复、反转录,
